ฟิวชันคือกระบวนการที่ทำให้ดวงดาวทั้งหมดในจักรวาลเปล่งประกาย และอาจเป็นคำตอบสำหรับปัญหาด้านพลังงานที่เพิ่มมากขึ้นบนโลก

การบรรลุถึงการหลอมรวมเป็นหนึ่งในเป้าหมายทางเทคโนโลยีที่เป็นที่ต้องการมากที่สุดในยุคสมัยของเรา เนื่องจากสามารถผลิตพลังงานปลอดคาร์บอนได้ในปริมาณมหาศาล การบรรลุเป้าหมายดังกล่าวได้ก่อให้เกิดความพยายามทางวิศวกรรมที่ทะเยอทะยานที่สุดอย่างหนึ่ง นั่นก็คือ โครงการเครื่องปฏิกรณ์ทดลองเทอร์โมนิวเคลียร์ระหว่างประเทศ (International Thermonuclear Experimental Reactor Project หรือ ITER)

ความพยายามดังกล่าวเกี่ยวข้องกับ 35 ประเทศที่ร่วมมือกันเพื่อพิสูจน์ความเป็นไปได้ของปฏิกิริยาฟิวชันเป็นแหล่งพลังงานขนาดใหญ่ที่ปราศจากคาร์บอน ในฐานะส่วนหนึ่งของโครงการนี้ พวกเขากำลังสร้างเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันนิวเคลียร์โทคาแมกทางตอนใต้ของฝรั่งเศส

แผนการสำหรับ ITER เริ่มดำเนินการในปี 1985 และคาดว่าจะมีการผลิตพลาสมาเครื่องแรกในทศวรรษหน้า

ในการออกแบบและก่อสร้างอาคารชุดนี้ วิศวกรต้องพึ่งพาเทคโนโลยีที่ล้ำสมัยที่สุดในปัจจุบัน และเทคโนโลยีเหล่านั้นก็ได้แก่ Geomagic Design X

ภาคส่วนแรกของทั้งเก้าภาคส่วนของห้องพลาสม่าถูกวางบนฐานรองรับในเดือนพฤษภาคม 2022

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันคืออะไร?

ปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์ซึ่งเกิดขึ้นนับพันล้านครั้งต่อวินาทีที่แกนกลางของดวงอาทิตย์สร้างพลังงานเพียงพอที่จะขับเคลื่อนโลกได้หลายเท่า

ท่ามกลางความร้อนอันมหาศาลและแรงโน้มถ่วงที่แกนกลางของวัตถุท้องฟ้า นิวเคลียสไฮโดรเจนจะชนกัน หลอมรวมเป็นอะตอมฮีเลียมที่หนักกว่า และปลดปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลออกมา

ปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์บนโลกมีข้อดีหลายประการ เช่น ทำให้มีพลังงานที่แทบไม่มีขีดจำกัด, ไม่มีการปล่อยคาร์บอน และมีขยะนิวเคลียร์เพียงเล็กน้อย

โรงไฟฟ้าที่มีอยู่ในปัจจุบันพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิล, ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน หรือแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น ลมหรือน้ำ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันก่อให้เกิดขยะกัมมันตภาพรังสีซึ่งอาจเป็นอันตรายและต้องได้รับการเก็บรักษาอย่างปลอดภัย ซึ่งอาจใช้เวลานานหลายร้อยปี

ในทางกลับกัน ขยะที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์มีกัมมันตภาพรังสีน้อยกว่าและสลายตัวเร็วกว่ามาก นอกจากนี้ ปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์ไม่จำเป็นต้องใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล เช่น น้ำมันหรือก๊าซ

การหลอมรวมเป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ เนื่องจากเกิดขึ้นที่ศูนย์กลางของดวงอาทิตย์ นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องสร้างเงื่อนไขเดียวกันนี้ขึ้นบนโลก และแรง, แรงกดดัน และอุณหภูมิที่จำเป็นในการผลักดันอะตอมเข้าด้วยกันนั้นน่าทึ่งมาก

การสร้างโทคาแมค

แนวทางหนึ่งในการบรรลุถึงปฏิกิริยาฟิวชันนั้นเกี่ยวข้องกับการสร้างพลาสมา ซึ่งเป็นสถานะที่แก๊สจะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิสูงจนทำให้อิเล็กตรอนแยกออกจากนิวเคลียส

แผนงานที่ ITER complex คือการจำกัดและควบคุมพลาสมาภายในอุปกรณ์โทคาแมค ซึ่งเป็นโครงสร้างที่ใช้สนามแม่เหล็กทรงพลังที่มีรูปร่างเหมือนโดนัทหรือทอรัส โทคาแมคที่เสร็จแล้วน่าจะผลิตพลังงานฟิวชันได้ 500 เมกะวัตต์

การก่อสร้างอาคารชุดในฝรั่งเศสเริ่มขึ้นในปี 2013 และการประกอบโทคาแมคในปี 2020 เบื้องหลังการออกแบบชิ้นส่วนที่ประกอบเป็นภาชนะสุญญากาศของโทคาแมคคือบริษัท Equipos Nucleares SA (ENSA) ซึ่งตั้งอยู่ในสเปน

อุปกรณ์ที่สร้างเสร็จแล้วจะมีน้ำหนัก 23,000 ตันและมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 28 เมตร ทำให้เป็นอุปกรณ์ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่มีมา ภาชนะสูญญากาศที่มีปริมาตร 840 m3 จะต้องทนต่ออุณหภูมิที่พลาสมาภายในถึง ซึ่งอยู่ที่ 150 ล้านองศาเซลเซียส

ซอฟต์แวร์สำหรับการออกแบบ 3D ที่แม่นยำ

ห้องพลาสม่าของโทคาแมคหรือทอรัสจะถูกสร้างขึ้นโดยการประกอบส่วนต่าง ๆ เก้าส่วนที่มีความยาวมากกว่า 11 เมตรเข้าด้วยกัน แต่ละส่วนจะถูกผลิตแยกกันและเชื่อมเข้าด้วยกันกับส่วนโดยรอบ

ส่วนต่าง ๆ ของภาคส่วนต่าง ๆ ควรจะมาบรรจบกันอย่างสมบูรณ์แบบ ดังนั้น ENSA จึงออกแบบชิ้นส่วนที่สั่งทำขึ้นเป็นพิเศษเพื่อเชื่อมต่อส่วนต่าง ๆ เหล่านี้เข้าด้วยกัน บริษัทใช้การสแกน 3D เพื่อทำงานย้อนกลับจากส่วนที่มีอยู่และออกแบบองค์ประกอบการเชื่อมต่อรอบ ๆ ส่วนเหล่านั้น

การสแกน 3D ช่วยให้ได้ข้อต่อที่พอดีอย่างสมบูรณ์แบบสำหรับห้องพลาสม่า

ด้วยความช่วยเหลือของผู้เชี่ยวชาญด้านวิศวกรรมจากสเปน AsorCAD ENSA จึงสแกนชิ้นส่วนและสร้างไฟล์ CAD ใน Design X

AsorCAD ใช้การถ่ายภาพด้วยแสงและการสแกนด้วยเลเซอร์เพื่อจับภาพสแกน 3D ของขอบด้านข้างของแต่ละส่วนของทอรัส ด้วยตาข่ายของขอบ พวกเขาสามารถสร้างแบบจำลอง CAD ที่สอดคล้องกันใน Design X ได้อย่างง่ายดาย ผลลัพธ์ที่ได้คือการออกแบบขอบ 3D ที่แม่นยำและแก้ไขได้

แผนกวิศวกรรมของ ENSA ใช้รูปทรงเรขาคณิตเหล่านี้เพื่อสร้างแผ่นต่อที่พอดีอย่างสมบูรณ์แบบ ซึ่งเป็นแผ่นโลหะที่ใช้ยึดชิ้นส่วนสองชิ้นหรือมากกว่าเข้าด้วยกัน และบิสกิต ซึ่งเป็นตัวเชื่อมต่อขนาดเล็กที่ยึดชิ้นส่วนสองชิ้นไว้ในตำแหน่ง

ENSA จะออกแบบแผ่นต่อและบิสกิตรอบขอบของแต่ละเซกเตอร์ เมื่อผลิตเสร็จแล้ว เซกเตอร์ทั้งหมดจะถูกเชื่อมเข้าด้วยกัน

โมดูลภาคส่วนแรกจากทั้งหมด 9 โมดูลที่จำเป็นสำหรับเรือได้รับการยกและติดตั้งในหลุมประกอบในเดือนพฤษภาคม 2022 และคุณสามารถติดตามความคืบหน้าของโทคาแมคได้บนเว็บไซต์ของ ITER